TWI719585B - 馬達及其驅動方法 - Google Patents

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Abstract

一種馬達包含定子總成、轉子及固定結構。定子總成包含第一定子組、第二定子組、及第三定子組；各個定子組包含至少一個定子線圈。轉子包含磁性元件、第一軸承、第二軸承、及軸桿。定子總成形成疊加磁場致使磁性元件轉動。當磁性元件於第一平面轉動時，第一軸承的外圈隨之轉動。第一軸承的圓心位於第二軸承所在的平面，當磁性元件於第二平面轉動時，第二軸承的內圈隨之轉動。軸桿的中心軸線穿過第一軸承的圓心。固定結構，用以固定轉子。其中，軸桿可轉動地固定於第一軸承，且與第二軸承連接；磁性元件位於第一軸承的中心軸線與第二軸承的中心軸線交會處，第一平面的法向量平行於軸桿的軸向；第二平面的法向量垂直於軸桿的軸向。

Description

馬達及其驅動方法
本案是關於一種馬達及其驅動方法，特別是關於一種能夠執行兩個維度以上的操控而無須針對各個維度分別設置致動件或傳動件的球型馬達及其驅動方法。
由於「力」是一種向量，為改變力的傳遞方向，傳統上需要藉由滑輪、齒輪、螺桿、凸輪、或連桿等元件組合來完成。
科技進步、精密機械(例如：小衛星、機械手臂等)為了完成多維度(例如三個維度)的運作往往必須要配合多個致動件或傳動件的組合並搭配施力的位置、方向。
然而，傳統的動力單元(例如馬達)只能在一個維度上提供動力。因此，欲完成精密機械等多個維度的操作上必須要配合多個馬達，致使機械顯得笨重。
由於機械的總重增加，導致機械的運作或執行需要更多的能量，能量的耗損增加。除此之外，更多的元件也意味著機械的製造相應地對環境產生更大的負擔。
如今能源問題及環境議題漸被重視。因此，如何使得馬達能夠在多個維度上提供動力以減少機械的重量而降低耗電量、以及減少材料的使用而減少環境負擔已經成為重要的課題。
為了解決上述的問題，本案提供一種馬達及其驅動方法。本案馬達包含定子總成、及轉子，定子總成包含第一定子組、第二定子組、及第三定子組；該些定子組各自包含至少一個定子線圈；轉子包含磁性元件、第一軸承、第二軸承、及軸桿。
定子總成形成疊加磁場致使磁性元件轉動；當磁性元件於第一平面轉動時，第一軸承的外圈隨之轉動；第一軸承的圓心位於第二軸承所在的平面，當磁性元件於第二平面轉動時，第二軸承的內圈隨之轉動。軸桿的中心軸線穿過第一軸承的圓心。
其中，軸桿可轉動地固定於第一軸承，且與第二軸承連接；磁性元件位於第一軸承的中心軸線與第二軸承的中心軸線交會處，第一平面的法向量平行於軸桿的軸向；第二平面的法向量垂直於軸桿的軸向。
在一實施例中，馬達更包含一固定結構，固定結構具有一內部空間，轉子位於內部空間；第二軸承抵接固定結構，致使第一定子組、第二定子組或第三定子組不直接接觸第二軸承。
在一實施例中，該些定子組各自包含至少兩個定子線圈且設置於固定結構，固定結構為一六面體，該六面體的六個面各自設置有至少一個該定子線圈；第一定子組的該些定子線圈之間的連線為一第一軸線、第二定子組的該些定子線圈之間的連線為一第二軸線、及第三定子組的該些定子線圈之間的連線為一第三軸線；第一軸線、第二軸線、及第三軸線彼此正交。
在一實施例中，定子組的定子線圈為電路板印刷定子線圈。
在一實施例中，轉子更包含一轉子殼體，轉子殼體包覆磁性元件。
在一實施例中，轉子殼體更包含一第一殼體及一第二殼體，第一殼體及第二殼體可拆卸地接合而形成球體外觀，第一殼體與第二殼體的接合處形成一開口，軸桿抵接開口。
在一實施例中，轉子殼體具有強磁性。
在一實施例中，磁性元件為永久磁鐵。
在一實施例中，本案馬達是透過驅動電路驅動，驅動電路包含計算機裝置、電能輸出單元、系統控制電路、三相全橋電路、霍爾元件、電性量測單元、及微控制器。
為使本案馬達發揮功效，以下一併揭露驅動本案馬達的驅動電路。
本案驅動馬達的三相全橋電路連接系統控制電路，且分別連接第一定子組、第二定子組、及第三定子組，第一定子組的該些定子線圈互相連接；第二定子組的該些定子線圈互相連接；第三定子組的該些定子線圈互相連接。
在一實施例中，霍爾元件是用於感測轉子於各個維度的轉動角度。
在一實施例中，電性量測單元連接全橋電路。
在一實施例中，連接系統控制電路及電性量測單元。
承上所述，由於本實施例馬達是以三組中心軸線彼此正交的定子(第一定子組、第二定子組、及第三定子組)自轉子外部提供疊加磁場致使轉子能夠進行多維度的轉動，而不需要額外的傳動件。
相較於傳統馬達，本案應用於執行多維度運作的機械僅需要一個，大幅度地減少機械的重量以及減少環境負擔。
除上述馬達及其驅動電路之外，本案亦揭露驅動本案馬達及其驅動馬達的驅動方法。
本案驅動馬達的驅動方法包含計算機裝置發出預定轉動方向指令及預定轉速指令至微控制器；以霍爾元件感測轉子的轉動角度得到轉動角度數據且以電性量測單元量測經過定子總成的電性特徵例如但不限於電流或電壓得到電性數據；將轉動角度數據及電性數據自動地傳送至微控制器；微控制器根據預定轉動方向指令、預定轉速指令、轉動角度數據、及電性數據得到數位化的電子訊號；微控制器根據數位化的電子訊號、預定轉動方向指令、及預定轉速指令計算得到修正電性數據；微控制器將修正電性數據傳送至電能輸出單元致使電能輸出單元輸出一適當的電流或電壓以調整定子總成產生的磁場強度及疊加磁場的方向，進而改變轉子的轉動方向或轉速。
1:馬達
11:轉子
111:磁性元件
112:轉子殼體
112a:第一殼體
112b:第二殼體
113:開口
12:定子總成
121:第一定子組
121a、121b:(第一定子組的)定子線圈
122:第二定子組
122a、122b:(第二定子組的)定子線圈
123:第三定子組
123a、123b:(第三定子組的)定子線圈
13:軸桿
14:軸承
141:第一軸承
142:第二軸承
15:固定結構
151:第一固定結構
152:第二固定結構
A:接點
S1~S5:步驟
圖1為本案一實施例的轉子示意圖。
圖2為本案一實施例的馬達爆炸示意圖。
圖3為本案一實施例的轉子及固定結構示意圖。
圖4為本案一實施例的局部構件組裝示意圖。
圖5為本案一實施例的整體馬達組裝示意圖。
圖6為本案一實施例的轉子於第一平面轉動示意圖。
圖7為本案一實施例的轉子於第二平面轉動示意圖。
圖8為本案一實施例的驅動本案馬達驅動電路示意圖。
圖9為本案一實施例的驅動本案馬達的驅動方法流程圖。
以下將參照相關圖式說明本案較佳實施例的馬達及其驅動方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
需要說明的是，本案各實施例中所有方向性用語(例如：上、下、左、右、前、後等)僅用於解釋某一特定狀態(如所附的各圖式所示)中各部件之間的相對位置關係、運動情況等，如果特定狀態發生改變時，則方向性用語也會隨之改變。
本案的馬達1可例如但不限應用於交通載具、小衛星、水下載具、或空中無人載具等機械。
如圖1~5所示，本實施例中馬達1包含定子總成12、轉子11及一固定結構15。定子總成12用以形成一疊加磁場。定子總成12包含第一定子組121、第二定子組122、及第三定子組123。該些定子組(即第一定子組121、第二定子組122及第三定子組123，以下合稱「該些定子組」)各自包含至少兩個定子線圈，第一定子組121包含成對的定子線圈121a、定子線圈121b；第二定子組122包含成對的定子線圈122a、定子線圈122b；第三定子組123包含成對的定子線圈123a、定子線圈123b。
在其他實施例中，第一定子組121的定子線圈(121a、121b)的圓心的連線為第一軸線、第二定子組122的定子線圈(122a、122b)的圓心的連線為第二軸線、且第三定子組123的定子線圈(123a、123b)的圓心的連線為第三軸線。第一軸線、第二軸線、及第三軸線可以是彼此正 交。
特別值得一提的是，因為第一軸線、第二軸線、及第三軸線彼此正交，因此藉由疊加原理可知，本案的馬達1在三維空間裡的轉動方向是沒有角度限制的。
如圖1~2、及4所示，轉子11包含磁性元件111(例如但不限於永久磁鐵)、第一軸承141、第二軸承142、及軸桿13。當定子總成12共同形成疊加磁場時，疊加磁場致使磁性元件111旋轉。
在本實施例中，軸桿13穿過第一軸承141，而設置於第一軸承141的內圈，軸桿13與第一軸承141之間係固定或可轉動地固定；軸桿13的一端抵接第二軸承142的內圈而設置於第二軸承142，軸桿13與第二軸承142之間係固定或可轉動地固定。
磁性元件111位於第一軸承141的中心軸線與第二軸承142的中心軸線交會處，第一平面的法向量平行於軸桿13的軸向；第二平面的法向量垂直於軸桿13的軸向。
當磁性元件111於第一平面旋轉時，第一軸承141的外圈隨之旋轉。
第一軸承141的圓心位於該第二軸承142所在的平面，在本實施例中，第二軸承142所在的平面係指由兩條不同的直徑共同形成的虛擬平面，當磁性元件111於第二平面轉動時，第二軸承142的內圈隨之轉動。
如圖2、4、及5所示，定子總成12圍繞出第一空間，且磁性元件111設置於第一空間內。
如圖1~2所示，本案馬達1更包含轉子殼體112，轉子殼體112包含第一殼體112a及一第二殼體112b。第一殼體112a及第二殼體112b各自具有凹槽而形成碗狀構造，磁性元件111緊密地嵌入於兩者的凹槽。第一殼體112a及第二殼體112b可拆卸地接合而形成球體外觀，使得轉子殼體112緊密地包覆磁性元件111於第一殼體112a及第二殼體112b之間。由於轉子殼體112緊密地包覆磁性元件111；因此，轉子殼體112會隨著磁性元件111轉動而進行同步轉動，兩者之間不為相對轉動。當第一殼 體112a與第二殼體112b接合會形成一開口113(如圖6)，第一軸承141嵌合於開口113處並且軸桿13穿過第一軸承141。
在其他實施例中，馬達1是作為動量輪使用，動量輪中的轉子11通常需要有較大的轉動慣量才能達到使外部機械藉由角動量守恆的原理進行轉動。藉由轉子殼體112的設置能夠增加轉子11轉動慣量，其材質可以選自例如但不限於選自包含鐵的鐵磁性物質。
在本實施例中，軸桿13的兩端分別固接於第二軸承142的內圈，因此能夠於第二軸承142所在的第二平面進行轉動。
如圖2~3所示，在一些實施例中，固定結構15位於第一空間內，固定結構15可例如但不限於正六面體，固定結構15由第一固定結構151及第二固定結構152共同組成，第一固定結構151及第二固定結構152皆具有碗型的凹陷部分。當第一固定結構151及第二固定結構152對應接合時，兩者的凹陷部分共同形成內部空間，因此轉子11得以設置於位於第一空間內，且被固定結構15牢固地固定。
然而，需要特別說明的是，因為本案是利用角動量守恆的原理使馬達1進行運轉，因此在最佳實施例中第二軸承142的內圈是不與固定結構15接觸的。
如圖4~5所示，第二軸承142抵接固定結構15，且定子線圈皆設置於固定結構15的外側，且定子線圈是牢固地鎖固於固定結構15，致使第一定子組121、第二定子組122或第三定子組123不直接接觸該第二軸承142，因此在轉子11及定子線圈之間留有氣隙。
在其他實施例中，定子線圈可為例如但不限於是可撓性電路板印刷定子線圈，其中每一個可撓性電路板印刷定子線圈中間有額外例如但不限於是「一」字形、或「十」字形的開孔，致使可以讓第二軸承142穿過，以縮小馬達1的體積。
如圖4~7所示，定子總成12形成疊加磁場致使磁性元件111轉動，藉由第一軸承141的設置，使得轉子11能夠以軸桿13為軸心進行轉動。
如圖4~5及7所示，定子總成12共同形成疊加磁場致使磁 性元件111轉動，藉由第二軸承142的設置，使得轉子11能夠在第二平面上進行轉動。
如圖4、6所示，定子總成12共同形成疊加磁場致使磁性元件111轉動，藉由第一軸承141及第二軸承142的設置，轉子11能夠同時以軸桿13為軸心轉動且並在第二平面上進行轉動。
特別的是，第一定子組121、第二定子組122及第三定子組123分別連接於一個全橋電路(請參照圖8)中的接點A。在本實施例中，有三組定子組(第一定子121、第二定子122、及第三定子123)，同一定子12的兩個定子線圈分別連接於同一個全橋電路中的接點A與接點A之間，並且兩個定子線圈之間互相連接(例如但不限於是串聯或是並聯)。
因此能夠使每一定子組產生相反的磁場。也就是說，在三維的立體坐標系中，第一定子組121、第二定子組122及第三定子組123能夠分別在X軸、Y軸、及Z軸產生正向及負向的磁場，藉由第一定子組121、第二定子組122及第三定子組123產生磁場在三軸方向的分量，疊加後可以在立體空間中得到任意的方向，故本案轉子11能夠在立體空間中任意的轉動。
如圖9所示，為了驅動本實施例的馬達1，可以藉由感測的數據進行自動控制。本案驅動馬達1的驅動方法包含計算機裝置發出預定轉動方向指令及預定轉速指令；以霍爾元件感測轉子11的轉動角度(例如但不限於是轉動方向與X軸、Y軸、或Z軸的夾角，X軸、Y軸、或Z軸是指三維空間中彼此正交的軸向)得到轉動角度數據；以電性量測單元(例如但不限於電壓計、或電流計)量測經過定子總成12的電壓或是電流等電性特徵而得到電性數據(例如但不限於電壓、或電流)；將轉動角度數據及電性數據自動地傳送至微控制器(MCU,microcontroller)；微控制器根據轉動角度數據及電性數據轉換得到數位化的電子訊號。
微控制器根據數位化的電子訊號、預定轉動方向指令、及預定轉速指令計算得到修正電性數據(例如但不限於修正電壓或修正電流)；微控制器將修正電性數據傳送至電能輸出單元致使電能輸出單元輸出適當的電流或電壓以調整定子總成12產生的磁場強度及疊加磁場的方向，進而 改變轉子11的轉動方向或轉速。
綜上所述，本案馬達1及其驅動方法是藉由本案揭露的馬達的驅動方法以驅動上述三組中心軸線彼此正交的定子總成12致使設置於其中的轉子11在三維空間中沒有角度限制的轉動，而提供一種僅需要一個馬達1而能完成兩個維度以上的操控的馬達1。因此不但能減少機械的重量以及減少環境負擔，還克服了馬達1僅能夠在一個維度上轉動的技術偏見。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本案的精神與範疇，而對其進行的等效修改或變更，均應包含於後附的申請專利範圍中。
11:轉子
112:轉子殼體
112a:第一殼體
112b:第二殼體
113:開口
121a、121b:(第一定子組的)定子線圈
122a、122b:(第二定子組的)定子線圈
123a、123b:(第三定子組的)定子線圈
13:軸桿
142:第二軸承
15:固定結構
151:第一固定結構
152:第二固定結構

Claims (9)

  1. 一種馬達，包含：一定子總成，包含：一第一定子組、一第二定子組、及一第三定子組，該些定子組各自包含至少一個定子線圈；一轉子，該轉子包含：一磁性元件，該定子總成用以形成一疊加磁場致使該磁性元件於一合力方向轉動；一第一軸承，當該磁性元件於一第一平面轉動時，該第一軸承的外圈隨之轉動；一第二軸承，該第一軸承的圓心位於該第二軸承所在的平面，當該磁性元件於一第二平面轉動時，該第二軸承的內圈隨之轉動；一軸桿，該軸桿的中心軸線穿過該第一軸承的圓心；一固定結構，用以固定該轉子；其中，該軸桿可轉動地固定於該第一軸承，且與該第二軸承連接，該磁性元件位於該第一軸承的中心軸線與該第二軸承的中心軸線交會處，該第一平面的法向量平行於軸桿的軸向；該第二平面的法向量垂直於軸桿的軸向。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該固定結構：具有一內部空間，該轉子位於該內部空間；該第二軸承抵接該固定結構，致使該第一定子組、該第二定子組或該第三定子組不直接接觸該第二軸承。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之馬達，其中該些定子組各自包含至少兩個定子線圈且設置於該固定結構，該固定結構為一六面體，該六面體的六個面各自設置有至少一個該定子線圈；該第一定子組的該些定子線圈之間的連線為一第一軸線、該第二定子組的該些定子線圈之間的連線為一第二軸線、及該第三定子組的該些定子線圈之間的連線為一第三軸線；該第一軸線、該第二軸線、及該第三軸線彼此正交。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該些定子組的該些定子線圈為 電路板印刷定子線圈。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該轉子更包含：一轉子殼體，該轉子殼體包覆該磁性元件。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之馬達，其中該轉子殼體更包含：一第一殼體及一第二殼體，該第一殼體及該第二殼體可拆卸地接合而形成球體外觀，該第一殼體與該第二殼體的接合處形成一開口，該軸桿抵接該開口。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之馬達，其中該轉子殼體具有強磁性。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之馬達，其中該磁性元件為永久磁鐵。
  9. 一種驅動申請專利範圍第1至8項任一項所述之馬達的驅動方法，包含：由一計算機裝置發出一預定轉動方向指令及一預定轉速指令至一微控制器；以一霍爾元件感測該轉子的一轉動角度得到一轉動角度數據，且以一電性量測單元量測一經過該定子總成的電性特徵以得到一電性數據；該微控制器根據該轉動角度數據及該電性數據轉換得到一數位化的電子訊號；該微控制器根據該數位化的電子訊號、該預定轉動方向指令、及該預定轉速指令計算得到一修正電性數據；該微控制器將該修正電性數據傳送至一電能輸出單元，致使該電能輸出單元輸出一適當的電流或電壓以調整該定子總成產生的磁場強度及疊加磁場的方向，進而改變該轉子的轉動方向或轉速。
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